船-冰碰撞載荷下3種舷側結構耐撞性分析

蘇 巍， 莊 元， 趙曉博， 鄭元洲， 甘浪雄

(1.武漢理工大學 航運學院，武漢 430063; 2.內河航運技術湖北省重點實驗室, 武漢 430063; 3.南京海事局，南京 210000)

船-冰碰撞載荷下3種舷側結構耐撞性分析

蘇 巍1，2， 莊 元1,2， 趙曉博3， 鄭元洲1,2， 甘浪雄1,2

(1.武漢理工大學 航運學院，武漢 430063; 2.內河航運技術湖北省重點實驗室, 武漢 430063; 3.南京海事局，南京 210000)

為探究船-冰碰撞載荷下橫骨架式和縱骨架式2種船體結構的耐撞性能，利用MSC/PATRAN軟件建立油船及冰體有限元模型，運用非線性有限元軟件Dytran對船中舷側結構與冰體棱角發生碰撞進行仿真。通過2種舷側結構的船體與冰體碰撞，對比不同船體結構的損傷變形、碰撞力和能量吸收的差異，探究各種船體結構的優劣性。利用不同船體結構的優劣性能對現有的2種船體舷側結構進行改進，合理布置橫骨材、縱骨材的數量及尺度，在船舶總質量改變不大的前提下，采用優化混合骨架設計結構方法提高舷側結構的耐撞性能。計算結果表明，該方案對冰區船舶結構加強具有重要的參考意義，可為提高冰區船舶耐撞性設計提供建議。

船舶工程；船-冰碰撞；數值仿真；舷側結構；耐撞性能

Abstract: The crashworthiness against ice impact of two types of ship structures, the transverse framing and the longitudinal framing is explored. The finite element models of the oil tanker and the ice cube are established by software MSC/PATRAN. The situation in which the side of midship collides with the corner of ice cube is simulated by nonlinear finite element software Dytran. The differences of the hull structural damage deformation, collision force and energy absorption, when two ships with different side structural forms colliding with an ice cube under different collision situation, are studied respectively, and the advantages and disadvantages of different side structural forms are explored. Two existing ship side structure designs are improved according to the simulation results through adjusting the arrangement of the transverse/longitudinal skeleton while keeping the hull weight basically unchanged to improved the crashworthiness of the ships.

Keywords: ship engineering; ship-ice collision; numerical simulation; side structure; crashworthiness

隨著高緯度海域油氣資源的開發及北極航道的開辟，海冰與船舶碰撞問題越來越受關注。船舶與海冰碰撞與船舶間的碰撞相同，是在短時間內發生的具有巨大沖擊載荷的動態響應過程，體現的是船、冰結構碰撞的非線性問題，較為復雜。在目前針對船舶碰撞問題的研究方法中，有限元數值仿真方法最為便捷、精確，不僅能計算碰撞區的結構損傷變形和碰撞力，而且可結合外部機理的分析與計算仿真碰撞現象，實現結構間的“虛擬碰撞”。[1]

目前，根據中國船級社(China Classification Society, CCS)規范，冰區船舶結構加強方案只有橫骨架式和縱骨架式2種。這里利用有限元分析軟件MSC/PATRAN探究2種骨架結構抗冰撞擊性能的優劣，在此基礎上合理調整肋骨、縱桁間距，形成新的骨架結構(橫縱混合骨架)；同時，對其進行數值仿真，并與現有的橫骨架結構和縱骨架結構進行對比分析，探討骨架排列對船舶舷側耐撞性能的影響。

1 有限元模型建立

1.1浮冰模型

1.1.1浮冰形狀簡化

海冰形狀雖然多樣，但就有限元仿真計算而言，主要關注的是與船體接觸區域的冰體形狀，因此可對非接觸區域的冰體形狀進行簡化。選取的浮冰幾何模型為餅狀模型(見圖1)。餅狀冰體的厚度為5 m，半徑為20 m，密度為930 kg/m3，質量為1 460.1 t。

1.1.2浮冰材料模型

借鑒已有研究成果，冰體材料模型采用Elas-Plas材料，其抗壓強度與加載速率有密切的聯系。[2]模型的參數設置[1]見表1，冰體有限元模型見圖2。浮冰采用實體單元(Tet4)進行模擬，模型共包含25 430個單元、14 784個節點。

表1 冰體材料參數設置

1.2被撞船模型

以1萬噸級油船與浮冰碰撞為例，油船為雙殼雙底、橫骨架式結構，其主要參數為：總長141 m；型寬20.4 m；型深10.7 m；滿載吃水8.3 m；滿載排水16 000 t。

1.2.1被撞船舷側結構

這里主要研究舷側結構(橫骨架式、縱骨架式及橫縱混合式)與冰體的碰撞，橫骨架式船舶碰撞區示意見圖3，橫骨架結構見圖4。碰撞區長度為24 m，高度為10 m。肋骨板厚7 mm，強肋骨板厚8 mm，縱桁板厚7 mm，強縱桁板厚8 mm。

由于建模較為繁瑣，因此這里縱骨架式及橫縱混合式結構是在橫骨架式的基礎上改造而成的，改造區集中在圖3所示的碰撞區內。改造的縱骨架結構見圖5。

1.2.2被撞船材料參數

由于船用鋼在高應變率下具有顯著的動態特性，其屈服應力隨應變率的增大而增大，因此選擇船用結構鋼(高強度鋼)作為船舶材料。為研究碰撞區域整體的結構損傷情況，其材料模型在Dytran中采用考慮應變率效應的塑性動態模型，該模型滿足Cowper Symonds本構方程，即

(1)

表2 考慮應變率的塑性動態模型參數設置

對于最大塑性應變值的確定，目前行業內尚無有效的測定方法，主要根據碰撞區域的有限元網格的大小決定。這里被撞船舷側碰撞區域的最大塑性應變值取0.2。[3]

1.3船-冰碰撞有限元模型

仿真中船體周圍的水對碰撞結果的影響以附加水質量的形式考慮，附加水質量施加到舷側非碰撞區一側[4](見圖6)。被撞船在冰體撞擊下主要發生橫移運動，附連水質量用經驗公式確定，作橫蕩運動的被撞船的附加質量[5]為

ΔM1=CM1

(2)

式(2)中：M1為被撞船的質量；C為附加水質量系數，這里取0.4。

油船被撞區域內板質量為15.98 t，外板質量為31.744 t，橫骨架式結構加強材(肋骨、強肋骨、縱桁)質量為13.475 t，縱骨架式結構加強材質量為15.271 t。在船-冰碰撞模擬中，船舶模型均為四節點(QUAD4)或三節點(TRI3)殼單元(Shell)，船舶處于靜止狀態，冰體垂直撞擊船體。為研究舷側結構的響應，冰的撞擊速度取6 m/s，仿真時間為1 s。

碰撞接觸區采用自適應主從接觸算法，定義船舶舷側碰撞區為主面、海冰為從面，從面網格比主面網格更為細密，從而有效減少沙漏現象。

2 損傷結果及分析

經過仿真計算得到仿真時間為1 s時舷側外板變形圖(見圖7)。在接觸區內，船側外板結構發生不同程度的變形，且變形區域主要集中在冰體棱部與外部接觸區，外板發生膜拉伸變形，并發生破損。橫骨架式結構在0.67 s時外板開始破裂，而縱骨架式結構在0.43 s時外板開始破裂。

a)橫骨架式結構b)縱骨架式結構

圖7 仿真時間為1 s時舷側外板變形圖

在模型設置中，不同結構冰體的撞擊位置相同，橫骨架式結構外板和縱骨架式結構外板均發生破裂，其中：橫骨架式結構破口集中在接觸區中部；縱骨架式結構破口集中在強肋骨所在垂線位置的上下沿。造成破口位置出現差異的主要原因是加強材(肋骨、強肋骨、縱桁、強縱桁)的分布不同。圖8為加強材變形圖。

a)橫骨架式結構b)縱骨架式結構

圖8 加強材變形圖

橫骨架式結構縱桁在冰體撞擊下發生面內彎曲，肋骨有一定的形變，但變化并不顯著；強肋骨則發生較大的側向擠壓變形和壓潰變形，變化最顯著的區域對應的外板發生破損。縱骨架式結構縱桁在冰體撞擊下發生面內彎曲；肋骨變形不顯著，因布置有強縱桁構件，強肋骨主要發生面內彎曲，僅在肋骨端部存在小范圍的壓潰變形，對應的外板也在相應位置處因集中應力過大而產生破口。通過對比破口位置得知，橫骨材及縱骨材的不同分布改變了外板的損傷模式和吸能特性。因此，為有效改善外板的吸能特性，可從加強材分布著手分析。

直譯是根據原文的意義和語言結構直接把原語的詞句轉換成譯文的詞句。當源語和目的語受眾的認知環境幾乎沒有差異,并且對商品的認知角度、消費觀念、價值取向等趨于一致時,譯者可以采用直譯。

3 橫縱混合骨架模型

圖9為橫縱混合骨架結構，模型在原有橫骨架式結構的基礎上改變肋骨、縱桁間距及縱桁數量和尺度。改進的橫縱骨混合式結構加強材的質量為14.108 t。

3.1碰撞響應分析

通過數值仿真計算得到橫縱混合骨架式結構舷側外板變形圖見圖10。在相同的仿真時間段內，橫縱混合骨架結構外板在冰體的撞擊下僅發生變形而未發生破裂，圖10中的5個點區是受海冰撞擊承受應力較大的區域。若接觸力或撞擊動能持續增加，則這些區域是外板最先破損的區域。由于在相同撞擊動能和仿真時間下橫縱混合骨架結構外板尚未發生破裂，因此可初步證明改進結構的耐撞性能較原橫骨架結構和縱骨架結構更優。

圖11為橫縱骨架結構加強材變形圖。由圖11可知：縱桁發生較為顯著的面內彎曲；強縱桁及強肋骨均發生側向擠壓變形和壓潰變形，局部區域出現破損。與圖8對比可知，改進的縱橫混合骨架式結構的損傷變形更大。結合圖7和圖10，能量吸收是以犧牲加強材為代價來保護外板的完整的，也證明加強材結構改變了外板的損傷模式和吸能特性。

3.2撞擊力分析

圖12為3種舷側結構的接觸力時歷曲線。由圖12可知，3種結構接觸力曲線變化趨勢一致，其中橫骨架式結構接觸力曲線和縱骨架式結構接觸力曲線相差較小，改進的橫縱混合骨架式結構接觸力相比橫骨架結構及縱骨架式結構均較大。

1)橫骨架式結構及縱骨架式結構的非線性波動更為明顯，說明其構件或單元在碰撞過程中失效更顯著，對應圖7中的外板破裂相比圖10更顯著。

2)橫骨架式結構的接觸力曲線在0.63～0.84 s時段非線性波動明顯，說明該時段結構或單元失效顯著增加，對應橫骨架式結構在0.67 s時外板開始破裂；而縱骨架式結構接觸力曲線在0.42～0.63 s時段波動顯著，對應縱骨架式結構在0.43 s時外板開始破裂。

3)與橫骨架式結構及縱骨架式結構相比，橫縱混合式舷側結構的碰撞力曲線更高，結構之間的接觸力更大。結合圖10中的外板尚無破裂，充分說明橫縱混合式舷側結構的耐撞力有了顯著提高。

4)碰撞過程中，碰撞力逐漸增大，在0.63 s左右達到最大值，在0.70 s后減小較為明顯。

3.3能量轉換

圖13為3種舷側結構的吸能時歷曲線，可看出3種結構的吸能曲線變化一致，先迅速增大，后逐漸趨于平緩。

1)從碰撞接觸到0.4 s時段，橫骨架式結構及縱骨架式結構幾乎重合，能量吸收相差不大，0.4 s后差異明顯；縱骨架式結構的吸能比橫骨架式結構的大，說明橫、縱骨材分布影響結構的吸能能力。

2)從碰撞接觸到0.4 s時段，橫縱混合骨架式結構的吸能比橫骨架式結構及縱骨架式結構顯著；整個仿真時段，縱骨架式結構和橫縱混合骨架式結構相差不大，說明橫、縱骨材分布影響結構吸能速率。

圖14為橫縱混合骨架結構能量轉換曲線。在碰撞過程中，總能量守恒，冰的撞擊動能主要轉化為冰的變形能、船體外板變形能、加強材變形能、船體其他部分變形能和船體動能，其中轉化的船體動能很小，主要為結構的變形能，并以外板的變形能和冰的變形能為主。

3.4耐撞性能

判斷不同結構的耐撞性能需引入耐撞性指標。耐撞性指標是指在某一極限狀態下，單位結構質量所吸收的能量，又稱為比能。[6]表3為不同結構耐撞性能對比。

表3 不同結構耐撞性能對比

由表3可知：橫縱混合骨架式結構的耐撞性指標比橫骨架式結構及縱骨架式結構的大，從單位結構質量吸能能力層面看，橫縱混合骨架式結構的耐撞性能更優。

4 結束語

通過數值仿真研究，從舷側結構損傷變形、碰撞力大小及能量吸收等3個方面進行對比分析，得到以下結論：

1)船-冰碰撞過程在極短的時間內(幾秒)完成，在冰體沖擊載荷下，舷側結構的損傷均具有明顯

的局部性。3種不同結構間的碰撞力和能量吸收曲線趨勢一致。

2)與橫骨架式結構及縱骨架式結構相比，橫縱混合骨架式舷側結構的質量相差不大，但損傷變形更小、耐撞性更強、吸能更多，說明橫縱混合骨架式的布置有利于提升船舶的耐撞性能。

3)通過改變橫骨架與縱骨架的間距和尺度，得到的橫縱混合骨架式結構的單位結構質量所吸收的能量顯著增強。加強材結構布置改變了外板的損傷模式和吸能特性，能有效延長外板破裂時間，且能改變舷側結構的吸能能力和速率。

雖然從結構強度層面看，改變舷側橫縱骨材能有效增強船側結構的耐撞性能，但在船舶設計和建造中，要考慮其局部強度、總縱強度和穩性等因素。因此，關于舷側結構耐撞性的提高，從理論研究到設計，還應考慮更多因素的影響。

[1] 張充霖.冰載荷作用下船首結構碰撞數值仿真計算與分析[J].中國海上油氣,2014,26(A01): 6-10.

[2] 宋艷平,張愛鋒.舷側結構與冰碰撞的有限元仿真方法[J].大連海事大學學報, 2013，39(4): 42-46.

[3] 張少雄,孫亢,喻之凱,等.三峽庫區雙殼油船碰撞仿真與研究[J].船海工程,2009，38(3):8-10.

[4] PILL I, TABRI K. Finite Element Simulations of Ship Collisions: A Coupled Approach to External Dynamics and Inner Mechanics and Inner Mechanics[J]. Ships and Offshore Structures, 2011, 6(1-2):59-66.

[5] MINORSKY V U. An Analysis of Ship Collisions with Reference to Protection of Nuclear Power Plants[R].New York: Sharp (George G.) Inc.,1958.

[6] 張延昌,王自力.蜂窩式夾層板耐撞性能研究[J].江蘇科技大學學報(自然科學版),2007, 21(3): 1-5.

ShipSideStructuralFormOptimizationforIceImpactLoad

SUWei1,2，ZHUANYuan1,2，ZHAOXiaobo3,ZHENGYuanzhou1,2,GANLangxiong1,2

(1. School of Navigation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Hubei Key Laboratory of Inland Shipping Technology, Wuhan 430063, China; 3. Nanjing Maritime Safety Administration, Nanjing 210000, China)

U661.43；U663.3

A

2016-12-11

國家自然科學基金(71372202)；武漢理工大學自主創新研究基金(2015-zy-108)；省級自然科學基金面上項目(2014CFB856)；中央高校基本研究經費(2015IVA042)

蘇 巍(1987—)，男，重慶人，碩士生，主要從事水上交通與安全研究。E-mail:suweihyxy@whut.edu.cn

1000-4653(2017)01-0032-05